EP0588992A1 - Vorrichtung zur plasmaunterstützten bearbeitung von substraten. - Google Patents

Vorrichtung zur plasmaunterstützten bearbeitung von substraten.

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EP0588992A1
EP0588992A1 EP93900014A EP93900014A EP0588992A1 EP 0588992 A1 EP0588992 A1 EP 0588992A1 EP 93900014 A EP93900014 A EP 93900014A EP 93900014 A EP93900014 A EP 93900014A EP 0588992 A1 EP0588992 A1 EP 0588992A1
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EP
European Patent Office
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plasma
substrate
ion
current densities
ions
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EP93900014A
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Friedhelm Heinrich
Peter Hoffmann
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Publication of EP0588992B1 publication Critical patent/EP0588992B1/de
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    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32431—Constructional details of the reactor
    • H01J37/32623—Mechanical discharge control means
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    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32422—Arrangement for selecting ions or species in the plasma
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    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32431—Constructional details of the reactor
    • H01J37/3266—Magnetic control means

Definitions

  • the invention relates to a device for plasma-assisted processing of substrates, with a recipient in which ions and reactive neutral particles (radicals) formed in the plasma act on the substrate.
  • Such devices for plasma-assisted machining are used both for removing and for applying material from or to semiconductor, metal, glass or plastic substrates.
  • the machining process carried out in such devices is based on a combined attack of the ions formed in the plasma and the reactive neutral particles (radicals). While the neutral particles hit the substrate (wafer) essentially at thermal speed and with an isotropic directional distribution, the ions reach the wafer with relatively high kinetic energy and a strong preferred orientation.
  • the magnetic fields are used with the aim of keeping the electrons in the plasma as long as possible and thus increasing their density and probability of impact. In this way, an increase in ion production and a certain increase in radical production are achieved. Furthermore, the magnetic fields can be used to control the volume of the plasma in the recipient such that only the reactive neutral particles formed in the plasma can reach the substrate.
  • the invention is based on the object of specifying a device for plasma-assisted processing of substrates, with a recipient in which ions and reactive neutral particles (radicals) acting in the plasma act on the substrate, in which the ion and radical current densities largely are independently adjustable.
  • a device for plasma-assisted processing of substrates is therefore further developed in that means for varying the plasma volume to control the absolute values of the ion and radical current densities and to control the relative ratios of ion to radical current densities on the surface of the substrate are provided.
  • the invention is based on the basic idea of setting the individual current densities through a targeted variation of the plasma volume, for example through the use of certain magnetic field configurations or the recipient geometry.
  • the device according to the invention thus enables an increase in the absolute current densities of ions and radicals (chemically reactive neutral particles) and a controlled adjustment of the current ratios r.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a generic device for explaining the principles underlying the invention
  • FIGS. 2a to 2c variants of a first embodiment FIG. 3 shows a second embodiment
  • FIG. 4 shows a third embodiment
  • FIG. 5a and FIG. 5b an explanation of the operating modes possible with a device according to the invention.
  • a device for plasma-assisted processing of substrates into a recipient 1 which can be, for example, a cylindrical chamber with the inner height h "and the diameter d" to explain the basic principles according to the invention.
  • An electrode K (cathode) is arranged in the recipient 1 and is connected to a high-frequency power source 3 via a matching network 2.
  • A denotes a counter electrode (anode), which is connected to the reference potential, and Sb denotes the substrate to be processed.
  • both the plasma volume and the current densities j of the ions and radicals are generally set in the direction of the substrate Sb, depending on the choice of process conditions (for example reactor geometry, process pressure) , Gas flow, coupled power) more or less automatically.
  • equation 1 yields the following equation at a constant production rate P in the plasma volume V, if the losses in the volume are initially neglected
  • a ra is an effective loss surface, which depends on the geometry and material properties of the chamber as well as on the pump power.
  • the current ratios change like the ratios of the plasma surface responsible for the removal of the ions.
  • the plasma is constricted, which in the best case is limited to the area of the electrodes K and A, the total ion current on the substrate surface increases as a result of the increase in power density and the reduced wall losses with constant overall power.
  • the radical current density does not increase to the same extent.
  • Total surface area which is indicated by the chamber walls and the substrate surface and the AA and the reduced loss surface area for the ions.
  • devices for plasma-assisted processing of substrates are to be described in which, depending on the application or the desired ratio of ion to radical current densities, certain plasma volumes or surfaces are realized by suitable magnetic field / recipient configurations.
  • FIG. 2a to 2c show variants of a first exemplary embodiment in which the proportion of positive ion current densities is increased.
  • magnetic fields are provided which are generated by electromagnets Sp (FIG. 2a) or by permanent magnets lying opposite one another.
  • This configuration can be used with particular advantage if the proportion of ion-induced surface processes is to be increased, as is the case e.g. is the case with the anisotropic structure transfer (etching) or the ion-induced deposition etc.
  • the effect of the magnetic field (B field) caused by the magnets Sp is as follows:
  • the electron diffusion perpendicular to the B field lines is limited, so that the positive ions also emerge with reduced current densities in this direction.
  • the electrons and thus also the ions are kept in the reduced volume V when the B fields are sufficiently high.
  • V By varying the magnetic field B, for example by changing the coil currents or the permanent magnet arrangement used, V and thus the ratio r of ion to radical current densities can be set.
  • the maximum settable current density ratios r are - as already stated - determined by the substrate surfaces.
  • the constriction of the plasma is achieved in the exemplary embodiment shown in FIG. 2a by coils Sp arranged concentrically to the electrodes K and A. If one uses e.g. Coils in Helmholtz configuration, so you get a homogeneous B-field distribution in the entire plasma area.
  • the magnetic field lines are perpendicular to the electrode (substrate) surface. This hinders the radial diffusion.
  • the plasma volume can be changed.
  • FIG. 2b shows, the same result can also be achieved, for example, by permanent magnets N and S and / or coils Sp integrated in the electrodes, which are concentric to the axis shown, with magnetic field lines as shown.
  • the basic structure of the variant shown in FIG. 2b is similar to that in FIG. 2a. The difference is that there is no need for a specially shaped counterelectrode A.
  • the entire chamber 1 serves as a counter electrode.
  • the minimum adjustable plasma volume is determined by the effective range of the magnetic field, which can be varied, for example, when using magnetic field coils SP by their diameter - or by the diameter d 2 of the permanent magnets N and S.
  • FIG. 2c shows that in addition to the structure shown in FIGS. 2a and 2b, magnetic fields can be used which run parallel to the surface of the substrate Sb. As a result, the electron and thus also the ion movement on the substrate can be additionally influenced.
  • DE 39 13 463 AI also addresses the use of magnetic fields, which are approximately parallel can run to the surface of the substrate. In the exemplary embodiment shown in FIG. 2c, however, the magnetic field encloses the electrodes and in particular the cathode K. In this way, the electron movement in the cathode dark space and thus the DC soap bias can also be influenced:
  • the diameters of the coils Sp used in FIGS. 2a and 2c can be varied within wide ranges.
  • the coil diameters can e.g. be very much larger than the dimensions of the chamber 1.
  • the plasma constriction increases the relative radical current density, ie the relative current density of the reactive neutral particles.
  • the magnetic field lines run parallel to the surface of the substrate Sb, so that the ion current densities to the substrate are reduced.
  • the relatively increasing proportion of radicals promotes the purely chemical component in surface processing, for example for the generation of isotropic etching profiles, for the thermal deposition (deposition) of layers on the substrate, etc.
  • the power is fed in outside the substrate electrode by a laterally attached electrode E.
  • a laterally attached electrode E By introducing a variable magnetic field, the mobility of electrons in the direction of the substrate Sb and thus the ion currents on the substrate can be reduced.
  • the ion current densities can thus be adjusted continuously.
  • the ion current onto the substrate can be completely suppressed, so that only neutral particles can reach the substrate.
  • Fig. 4 shows another embodiment, which is a combination of the first and second embodiments. This allows a greater range of variation in the process control from ion to neutral particle-dominated surface treatment.
  • the power can be coupled in via the substrate electrode K or via a laterally attached electrode E.
  • a switchover of the power coupling or a division between the two electrodes is also possible.
  • variable electrode spacings can also have an additional influence on the plasma properties.
  • the loss surface Ar for the radicals can also be changed. This will e.g. achieved by the use of a liner on the chamber walls which, by selecting the suitable material (high consumption rates for special radicals) leads to an additional increase in the effective radical loss surface area A and thus to a further increase in a.
  • a further increase in the loss area A can be achieved, for example, by a corresponding geometrical shape (for example lamella structure in the case of a radiator or corrugated surface, etc.) b) Because the plasma is held between the electrodes when using a B field, an increase in the power densities is achieved with constant uncoupled power. A significant increase in the ionization rates (ion densities) can thus be achieved, particularly with small electrode spacings.
  • Variable electrode spacings are known in principle.
  • the combination with the B field provided according to the invention makes it possible to enclose the plasma even at low pressures and high powers in the electrode area.
  • Electrodes connected to a high-frequency power source result in a further new operating mode, which is to be further explained in connection with FIGS. 5a and 5b:
  • the plasma burns between the pair of electrodes 1, the B-field axis being perpendicular to the electrode Kl. If the distance from the plasma is sufficient, the wafer arranged on the electrode K2 is exposed to only a radical current in a first step; in this case the electrode K2 is not powered, so that the coil field with an axis perpendicular to K2 is switched off.
  • the electrode K2 can be switched on in a second cut. Depending on the power applied to K2, ions can thus additionally be drawn onto the substrate; the coil field with axis perpendicular to K2 can be switched on or off or varied.
  • the cathode K1 can, for example, continue to be powered or switched off. It is possible to switch between the different operating modes with practically any frequency.
  • the arbitrary switching options for the coil fields, cathode powers and cathode distances open up a whole series of different operating modes in a single system.
  • the electrode K2 can also be shifted to switch between the "radical” and “switch” operating states, while in the exemplary embodiment shown in FIG. 5b the counterelectrode A is moved to reduce the plasma volume and the Electrode Kl is switched off.
  • the switch electrode can also be powered.

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Description

Vorrichtung zur plasmaunterstützten Bearbeitung von
Substraten
B e s c h r e i b u n g
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur plas¬ maunterstützten Bearbeitung von Substraten, mit einem Rezipienten, in dem im Plasma gebildete Ionen und reaktive Neutralteilchen (Radikale) auf das Substrat einwirken.
Derartige Vorrichtungen zur plasmaunterstützten Bearbei¬ tung werden sowohl zum Abtragen als auch zum Auftragen von Material von bzw. auf Halbleiter-, Metall, Glas- oder KunststoffSubstrate verwendet.
Der in derartigen Vorrichtungen durchgeführte Bearbei¬ tungsvorgang beruht auf einem kombinierten Angriff der im Plasma gebildeten Ionen und der reaktiven Neutralteilchen (Radikale) . Während die Neutralteilchen im wesentlichen mit thermischer Geschwindigkeit und mit isotroper Rich¬ tungsverteilung auf das Substrat (Wafer) auftreffen, er¬ reichen die Ionen den Wafer mit relativ hoher kinetischer Energie und starker Vorzugsorientierung.
Stand der Technik
Aus einer Reihe von Veröffentlichungen, beispielsweise der DE 39 13 463 AI oder der DE 38 01 205 Cl ist es bekannt, bei plasmaunterstützten Bearbeitungsvorgängen, wie z.B. beim Trockenätzen oder bei der Schichtabscheidung zusätz¬ lich Magnetfelder zu verwenden. Ergänzend wird auf die Veröffentlichungen "Magnetically Enhanced Plasma Deposition und Etching" in Solid State Technology, April 1987, S.99-104, "A magnetic multipole reactor for high-flux reactive ion etching" in J.Appl. Phys.63(6) , S.1899-1903, und auf "RF-broad-beam ion source for reactive sputtering" in Vacuum, 1986, S. 973-976 ver¬ wiesen.
Bei diesen bekannten Vorrichtungen werden die Magnetfelder mit dem Ziel verwendet, die Elektronen möglichst lange im Plasma zu halten und damit deren Dichte und Stoßwahr¬ scheinlichkeit zu erhöhen. Auf diese Weise erreicht man eine Erhöhung der Ionenproduktion sowie eine gewisse Erhö¬ hung der Radikalenproduktion. Ferner könndn die Magnetfel¬ der dazu verwandt werden, das Volumen des Plasmas im Re¬ zipienten derart zu steuern, daß nur die im Plasma ge¬ bildeten reaktiven Neutralteilchen zum Substrat gelangen können.
Beschreibung der Erfindung
Erfindungsgemäß ist nun erkannt worden, daß bei Vorrich¬ tungen zur plasmaunterstützten Bearbeitung von Substraten, mit einem Rezipienten, in dem im Plasma gebildete Ionen und reaktive Neutralteilchen (Radikale) auf das Substrat einwirken, das Bearbeitungsergebnis nicht nur von den Absolutwerten der Ionen- und Radikalenstromdichten auf der Oberfläche des Substrats, sondern auch vom Verhältnis r von Ionen- zu Radikalenstromdichten bestimmt wird.
Bei den bekannten Vorrichtungen zur plasmaunterstützten •Bearbeitung von Substraten, mit einem Rezipienten, in dem im Plasma gebildete Ionen und reaktive Neutralteilchen auf das Substrat einwirken, wie sie beispielsweise aus den vorstehend genannten Druckschriften bekannt sind, ist eine gezielte Einstellung der Ionen- und Radikalenstromdichten dagegen nicht möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur plasmaunterstützten Bearbeitung von Substraten, mit einem Rezipienten, in dem im Plasma gebildete Ionen und reaktive Neutralteilchen (Radikale) auf das Substrat ein¬ wirken, anzugeben, bei der die Ionen- und Radikalenstrom¬ dichten weitgehend unabhängig voneinander einstellbar sind.
Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im An¬ spruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung' sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Erfindungsgemäß wird deshalb eine Vorrichtung zur plasma¬ unterstützten Bearbeitung von Substraten dadurch weiter¬ gebildet, daß zur Steuerung der Absolutwerte der Ionen- und Radikalenstromdichten und zur Steuerung der relativen Verhältnisse von Ionen- zu Radikalenstromdichten auf der Oberfläche des Substrats Mittel zur Variation des Plasma¬ volumens vorgesehen sind.
Die Erfindung geht dabei von dem Grundgedanken aus, durch eine gezielte Variation des Plasmavolumens beispielsweise durch den Einsatz bestimmter Magnetfeldkonfigurationen oder der Rezipientengeometrie die einzelnen Stromdichten einzustellen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht damit eine Erhöhung der Absolutstromdichten von Ionen und Radikalen (chemisch reaktiven Neutralteilchen) sowie eine kontrol¬ lierte Einstellung der Stromverhältnisse r. Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des all¬ gemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbei- spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine gattungsgemäße Vor¬ richtung zur Erläuterung der der Erfindung zugrun deliegenden Prinzipien, Fig. 2a bis 2c Varianten eines ersten Ausführungsbei- spiels, Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel, Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel, und Fig. 5a und 5b eine Erläuterung der mit einer erfindungs- gemäßen Vorrichtung möglichen Betriebsarten.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen In der folgenden Beschreibung werden für gleiche Teile immer die selben Bezugszeichen verwendet, so daß auf eine erneute Vorstellung dieser Teile verzichtet wird.
Fig. 1 zeigt zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Grund¬ prinzipien eine'Vorrichtung zur plasmaunterstützten Bear¬ beitung von Substraten in einen Rezipienten 1, der bei¬ spielsweise eine zylindrische Kammer mit der Innenhöhe h„ und dem Durchmesser d„ sein kann. In dem Rezipienten 1 ist eine Elektrode K (Kathode) angeordnet, die über ein Anpas¬ sungsnetzwerk 2 mit einer Hochfrequenz-Leistungsquelle 3 verbunden ist. Mit A sind eine Gegenelektrode (Anode) , die mit Bezugspotential verbunden ist, und mit Sb das zu bear¬ beitende Substrat bezeichnet. Bei den in Fig. 1 dargestellten Vorrichtungen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, stellen sich i.a. sowohl das Plasmavolumen als auch die Stromdichten j der Ionen und Radikalen in Richtung auf das Substrat Sb je nach Wahl der Prozeßbedingungen (z.B. Reaktorgeometrie, Prozeßdruck, Gasfluß, eingekoppelte Leistung) mehr oder weniger selbsttätig ein.
Im folgenden sollen die Konsequenzen erläutert werden, die sich durch die erfindungsgemäß vorgesehene Variation des Plasmavolumens für die Ionen- und Radikalenstromdichten auf das Substrat Sb ergeben:
Die Bilanzgleichung für die Produktions- und Verlustraten werden durch die Kontinuitätsgleichung
div j = P (1)
beschrieben, wobei P die Produktionsrate für Ionen und Radikale im Plasmavolumen und j die Stromdichte der aus einem Volumenelement abfließenden Teilchen bedeuten.
Die Integration der Gleichung 1 liefert bei im Plasma¬ volumen V konstanter Produktionsrate P, wenn die Verluste im Volumen zunächst vernachlässigt werden, folgende Glei¬ chung
f j dA = P V^ (2)
J P wobei die Integration über die gesamte Plasmaoberfläche A läuft.
Bei der Integration der Gleichung (2) sind zwei Fälle zu unterscheiden: (1) Bei kleinen Drücken bzw. hohen Leistungen wird sich das Plasma unabhängig von der speziellen Anordnung der Elektroden K und A auf nahezu das gesamte Kammervolumen V = V = hκ*dk /4 ausdehnen. Für Ionen- und Neutralteilchen sind die Verlustoberflächen in diesem Fall gleich der Kam¬ meroberfläche A. Die Ionen- bzw. Radikalenstromdichten werden dann
.ion = pion v/A (3)
.rad = prad v/Arad (4)
Ara ist eine effektive Verlustoberfläche, die von der Geometrie und der Materialbeschaffenheit der Kammer sowie von der Pumpleistung abhängig ist.
(2) Wird das Plasmavolumen Vp auf einen Bereich Vr„ klei- ner als das Kammervolumen V reduziert (dieser Fall ist mit dem Index r bezeichnet) dann gilt für die Ionenstromdich- ten bei konstantem P
Jrion = PrionVr / Ar (5)
Für die neutralen Teilchen gilt die Beziehung
jrrad = Prrad Vr /Arad (6)
Diese Gleichung berücksichtigt, daß Neutralteilchen im wesentlichen an den Kammerwänden verlorengehen. A än¬ dert sich daher bei Reduzierung des Plasmavolumens nicht. Die Änderung der Ionenstromdichten folgt dann aus den Gleichungen (3) und (5) , die der Radikalen, d.h. der re¬ aktiven Neutralteilchen aus den Gleichungen (4) und (6) . Wenn man annimmt, daß sich die Produktionsraten für Ionen und Radikale vergleichbar verhalten, dann ergeben sich die Stromverhältnisse und deren Änderung a zu
a = jr ion/ r rad) : (jion / jrad) = A/Ar (7)
d.h. die Stromverhältnisse ändern sich wie die Verhältnis¬ se der für den Abtransport der Ionen verantwortlichen Plasmaoberfläche .
Bei einer Einschnürung des Plasmas, das im günstigsten Fall auf den Bereich der Elektroden K und A beschränkt ist, erhöht sich der Gesamtionenstrom auf die Substrato¬ berfläche als Folge der Leistungsdichteerhöhung und der verminderten Wandverluste bei konstanter Gesamtleistung. Die Radikalenstromdichte erhöht sich nicht in dem selben Maße.
Das Verhältnis r = 3 _on Jra(ς äer Stromdichten auf dem Substrat Sb erhöht sich um den Faktor A/A , wobei A die
Gesamtoberfläche, die durch die Kammerwände und die Sub¬ ssttrraattoobbeerrffllääcchhee bbeessttiimmmmtt iisstt,, uunndd AA ddie reduzierte Ver- lustoberfläche für die Ionen bedeuten.
Die reduzierte Verlustoberfläche A für die Ionen ist bei einer Einschnürung zwischen die Elektroden K und A (ge¬ strichelter Bereich in Fig. 1) gleich der zweifachen Elek¬ trodenoberfläche, da nach den Seiten keine Ionen abfließen können. Wird z.B. eine Kammer mit der Höhe hκ = 20cm und mit dem Durchmesser d„ = 50cm und ein Substrat mit einem Durchmesser d„ = 20cm (8" Wafer) verwendet, dann ergibt sich eine Variationsbreite des Verhältnisses der Strom¬ dichten von Ionen und Neutralteilchen von mehr als 20 (!) durch Steuerung des Plasmavolumens. Dies ist insbesondere bei der anisotropen Strukturierung von Vorteil, bei der hohe lonenstromdichten im Vergleich zu den Radikalenstromdichten erwünscht sind.
Im folgenden sollen Vorrichtungen zur plasmaunterstützten Bearbeitung von Substraten beschrieben werden, bei denen je nach Anwendung bzw. angestrebtem Verhältnis von Ionen- zu Radikalenstromdichten bestimmte Plasmavolumina bzw. -Oberflächen durch geeignete Magnetfeld/ Rezipientenkon- figurationen realisiert werden.
In den folgenden Figuren sind jeweils gleiche oder ent¬ sprechende Teile wie in Fig. 1 mit den selben Bezugszei¬ chen bezeichnet, so daß auf eine erneute Vorstellung ver¬ zichtet wird, und lediglich die Abweichungen der in diesen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel erläutert werden:
Die Fig. 2a bis 2c zeigen Varianten eines ersten Ausfüh¬ rungsbeispiels, bei dem der Anteil der positiven lonen¬ stromdichten erhöht wird. Hierzu sind Magnetfelder vorge¬ sehen, die durch Elektromagnete Sp (Fig. 2a) oder durch sich gegenüberliegende Permanentmagnete erzeugt werden.
Diese Konfiguration läßt sich mit besonderem Vorteil ein¬ setzen, wenn der Anteil ioneninduzierter Oberflächenpro- zesse verstärkt werden soll, wie dies z.B. bei der an¬ isotrope Strukturübertragung (Ätzen) oder der ionenindu¬ zierten Deposition etc. der Fall ist.
Die Wirkung des durch die Magnete Sp hervorgerufenen Mag¬ netfeldes (B-Feld) ist folgende: Die Elektronendiffusion senkrecht zu den B-Feldlinien ist begrenzt, so daß auch die positiven Ionen mit verminderten Stromdichten in dieser Richtung austreten. Dadurch werden bei ausreichend hohen B-Feldern die Elektronen und damit auch die Ionen im reduzierten Volumen V gehalten. Durch eine Variation des Magnetfeldes B, z.B. durch Veränderung der Spulenströme oder der verwendeten Permanentmagnetan¬ ordnung, läßt sich V und damit das Verhältnis r von Io¬ nen- zu Radikalen-stromdichten einstellen. Die maximal einstellbaren Stromdichteverhältnisse r sind - wie bereits ausgeführt - durch die Substratoberflächen bestimmt.
Die Einschnürung des Plasmas wird bei dem in Fig. 2a ge¬ zeigten Ausführungsbeispiel durch konzentrisch zu den Elektroden K und A angebrachte Spulen Sp erreicht. Verwen¬ det man z.B. Spulen in Helmholtzkonfiguration, so erhält man im gesamten Plasmabereich eine homogene B-Feldvertei- lung. Die Magnetfeldlinien stehen senkrecht auf den Elek¬ troden(Substrat)Oberfläche. Dadurch wird die radiale Dif¬ fusion behindert. Je nach eingestellter Magnetfeldstärke kann so das Plasmavolumen verändert werden.
Ferner ist es möglich, den Abstand Ab der Elektroden K und A zu variieren. Hierdurch ergibt sich eine zusätzliche Variation der Plasmazusammensetzung und der Ströme. Insbe¬ sondere läßt sich durch eine Verringerung des Elektroden¬ abstandes die Leistungsdichte im Plasmavolumen bei kon¬ stanter eingespreister Gesamtleistung sehr stark steigern. Das Plasma kann durch die agne-tischen Felder auch bei hohen Leistungsdichten und kleinen Drücken ( ! ) zwischen den Elektroden gehalten werden.
Ausdrücklich wird darauf hingewiesen, daß es nicht von Belang ist, wie die Magnetfelder erzeugt werden. Wie Fig. 2b zeigt, kann das gleiche Ergebnis z.B. auch durch in die Elektroden integrierte Permanentmagneten N und S und/oder Spulen Sp, die konzentrisch zur eingezeich¬ neten Achse sind, mit Magnetfeldlinien wie dargestellt, erzielt werden.
Der grundsätzliche Aufbau der in Fig. 2b dargestellten Variante in ähnlich dem in Fig. 2a. Der Unterschied be¬ steht darin, daß keine speziell geformte Gegenelektrode A vorhanden sein muß. Hier dient die gesamte Kammer 1 als Gegenelektrode. Das minimal einstellbare Plasmavolumen wird durch den Wirkungsbereich des Magnetfeldes bestimmt, der z.B. bei Verwendung von Magnetfeldspulen SP durch deren Durchmesser - oder durch den Durchmesser d2 der Permanentmagneten N und S variiert werden kann.
Eine scheinbar ähnliche Vorrichtung ist zwar in der DE 38 01 205 Cl beschrieben, bei der eine Magnet nordnung mit senkrecht zur Oberfläche (parallel zum elektrischen Feld im Kathodendunkelraum) verlaufenden B-Linien verwendet wird. Bei dieser bekannten Vorrichtung ist jedoch weder eine speziell geformte Gegenelektrode mit z.B. der zusätz¬ lichen Möglichkeit den Kathodenabstand zu variieren, vor¬ gesehen noch wird mit dem B-Feld das Plasmavolumen vari¬ iert.
Fig. 2c zeigt, daß zusätzlich zu dem in den Fig. 2a und 2b dargestellten Aufbau Magnetfelder verwendet werden können, die parallel zur Oberfläche des Substrats Sb verlaufen. Hierdurch kann die Elektronen- und damit auch die Ionenbe¬ wegung auf das Substrat zusätzlich beeinflußt werden. In der DE 39 13 463 AI ist zwar ebenfalls bereits die Verwen¬ dung von Magnetfeldern angesprochen, die in etwa parallel zur Oberfläche des Substrats verlaufen können. Bei dem in Fig. 2c dargestellten Ausführungsbeispiel umschließt je¬ doch das Magnetfeld die Elektroden und insbesondere die Kathode K. Damit kann zusätzlich die Elektronenbewegung im Kathoden-Dunkelraum und damit die DC Seif Bias beeinflußt werden:
Eine Erhöhung des parallel zur Wafer-Oberfläche verlaufen¬ den B-Feldes behindert die Elektronenbewegung zum Wafer, der somit schwächer aufgeladen wird. Die Folge hiervon ist eine Reduktion der DC Seif Bias und damit der Ionenauf- treffenergien. Eine Beeinflußung der Radikalen und Ionen¬ ströme ist hierbei nicht vorgesehen. Das geschieht mit dem senkrecht zur Oberfläche verlaufenden B-Feld.
Die Durchmesser der in den Fig. 2a und 2c verwendeten Spulen Sp können in weiten Bereichen variiert werden. Die Spulendurchmesser können z.B. sehr viel größer sein als die Abmessungen der Kammer 1. Auch müssen die Spulenpaare nicht notwendigerweise konzentrisch zu den Kammer- und/ oder Elektrodenachsen sein. In der Regel wird man jedoch bestrebt sein, homogenen Magnetfelder zwischen den Elek¬ troden K und A zu haben. Dazu bieten sich Spulenpaare in Helmholtz-Konfiguration (Spulendurchmesser = Abstand zwi¬ schen den Spulen) an.
Selbstverständlich ist es aber auch möglich, anstelle von Spulen Permanentmagnete zu verwenden.
Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem die Plasmaeinschnürung die relative Radikalenstrom-dichte, d.h. die relative Stromdichte der reaktiven Neutralteil¬ chen erhöht. Bei diesem Ausführungsbeispiel verlaufen die Magnetfeldli¬ nien parallel zur Oberfläche des Substrats Sb, so daß die lonenstromdichten zum Substrat reduziert werden. Der rela¬ tiv steigende Radikalenanteil fördert die rein chemische Komponente bei der Oberflächenbearbeitung, z.B. für die Erzeugung isotroper Ätzprofile, für die thermische Ablage¬ rung (Deposition) von Schichten auf das Substrat, etc.
Die Leistungseinspeisung erfolgt außerhalb der Substrat¬ elektrode durch eine seitlich angebrachte Elektrode E. Durch Einführung eines variablen Magnetfeldes können die Beweglichkeit "von Elektronen in Richtung auf das Substrat Sb und damit die Ionenströme auf das Substrat vermindert werden. Die lonenstromdichten können so kontinuierlich eingestellt werden. Bei geeignet hohen B-Feldern kann der Ionenstrom auf das Substrat vollständig unterdrückt wer¬ den, so daß ausschließlich neutrale Teilchen das Substrat erreichen können.
Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das eine Kombination des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels darstellt. Dies erlaubt eine größere Variationsbreite in der Prozeßführung von Ionen- zu Neutralteilchen-domin- ierter Oberflächenbehandlung.
Die Leistungseinkopplung kann über die Substratelektrode K bzw. über eine seitlich angebrachte Elektrode E erfolgen. Eine Umschaltung der Leistungseinkopplung bzw. eine Auf¬ teilung auf die beiden Elektroden ist ebenfalls möglich.
Weiterhin können auch variable Elektrodenabstände für eine zusätzliche Beeinflussung der Plasmaeigenschaften sorgen. Bevor dies unter Bezugnahme auf die Figuren 5 und 6 näher beschrieben wird, sollen nochmals die erfindungsgemäß vorgesehenen Maßnahmen zusammengefaßt werden, durch die sich eine Reduktion des Plasmasvolumens ergibt:
a) Die Verlustoberflächen für die Ionen verringern sich mit dem B-Feld; dies führt zu einem stärkeren Anstieg der Ionendichte als der Radikalendichte (vgl. auch Gleichung (7)).
Damit ist insbesondere bei sehr kleinem Elektrodenabstand das Verhältnis a = A/Ar sehr stark zu beeinflußen, da sich ohne B-Feld das Plasma bei kleinem Drücken nicht zwischen den Elektroden halten läßt und den gesamten Rezipienten erfüllt. Damit ist A ohne B Feld die gesamte Kammerober-
2 fläche, während-mit B-Feld A gleich der Fläche hπd ist
(h= Elektrodenabstand, d=Durchmesser der Elektrode) .
Zusätzlich zu der Ionenverlustoberfläche läßt sich auch die Verlustoberfläche Ar für die Radikalen verändern. Dies wird z.B. durch den Einsatz eines Liners an den Kammerwän¬ den erreicht, der durch Auswahl des geeigneten Materials (hohe Konsumptionsraten für spezielle Radikale) zu einer zusätzlichen Vergrößerung der effektiven Radikalenverlust- Oberfläche A und damit zu einer weiteren Erhöhung von a führt.
Beispielsweise kann man die F-Radikalendichte beim Sili- ciumätzen (F ätzt Si spontan) durch einen Liner aus Sili- cium zusätzlich drücken. Eine weitere Erhöhung der Ver¬ lustfläche A kann z.B. durch eine entsprechende geometri¬ sche Form erreicht werden (z.B. Lamellenstruktur bei einem Heizkörper oder geriffelte Oberfläche etc..) b) Dadurch, daß das Plasma bei Einsatz eines B-Feldes zwischen den Elektroden gehalten wird, wird bei konstanter ungekoppelter Leistung eine Erhöhung der Leistungsdichten erreicht. Besonders bei kleinen Elektrodanabständen kann damit eine wesentliche Steigerung der Ionisierungsraten (Ionendichten) erreicht werden.
Variable Elektrodenabstände sind zwar prinzipiell bekannt. Die Kombination mit dem erfindungsgemäß vorgesehenen B- Feld macht es jedoch erst möglich, das Plasma auch bei kleinen Drücken und hohen Leistungen im Elektrodenbereich einzuschließen.
Auch die Fig. 4 dargestellten Möglichkeiten mit zwei ge¬ powerten, d.h. jeweils an eine Hochfrequenz-Leistungsquel¬ le angeschlossenen Elektroden ergibt sich eine weitere neue Betriebsart, die in Verbindung mit Fig. 5a und 5b weiter erläutert werden soll:
1: Das Plasma brennt zwischen dem Elektrodenpaar 1, wobei die B-Feld-Achse senkrecht auf der Elektrode Kl steht. Der auf der Elektrode K2 angeordnete Wafer wird bei ausrei¬ chendem Abstand vom Plasma in einem ersten Schritt nur einem Radikalenstrom ausgesetzt; hierbei wird die Elektro¬ de K2 nicht gepowert, so daß das Spulenfeld mit einer Achse senkrecht zu K2 ausgeschaltet ist.
2. Die Elektrode K2 kann in einem 2. Schnitt zugeschaltet werden. So können je nach an K2 anliegender Leistung zu¬ sätzlich Ionen auf das Substrat gezogen werden; das Spu¬ lenfeld mit Achse senkrecht auf K2 kann dabei ein oder ausgeschaltet sein bzw. variiert werden. Die Kathode Kl kann dabei z.B. weiterhin gepowert bleiben oder ausge¬ schaltet werden. Hierbei ist es möglich, mit praktisch beliebiger Frequenz zwischen den unterschiedlichen Betriebsmoden umzuschalten. Die beliebigen Schaltmöglichkeiten der Spulenfelder, Kathodenleistungen und Kathodenabstände eröffnen eine ganze Reihe unterschiedlicher Betriebsmoden in einer ein¬ zigen Anlage.
Die oben erwähnte Reduktion des Plasmavolumens ist in Abb. 5b noch einmal anschaulich dargestellt.
Bei dem in Fig. 5a dargestellten Ausfuhrungsbeispiel kann ferner die Elektrode K2 zum Umschalten zwischen "Radical"- und "Switch"-Betriebszustand verschoben werden, während bei dem in Fig. 5b dargestellten Ausfuhrungsbeispiel zur Reduktion des Plasmavolumens die Gegenelektrode A verscho¬ ben und die Elektrode Kl abgeschaltet wird.
Darüberhinaus kann auch noch die Schalterelektrode zusätz¬ lich gepowert werden.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Vorrichtung zur plasmaunterstützten Bearbeitung von Substraten, mit einem Rezipienten, in dem im Plasma ge¬ bildete Ionen und reaktive Neutralteilchen (Radikale) auf das Substrat einwirken, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Absolutwerte der Ionen- und Radikalenstromdichten und zur Steuerung der relativen Verhältnisse von Ionen- zu Radikalenstromdichten auf der Oberfläche des Substrats Mittel zur Variation des Plasmavolumens vorgesehen sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Variation des Plasmavolumens die Konfiguration des Rezipienten ändern.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Variation des Plasmavolumens Magnetanordnungen sind, die ein Magnetfeld erzeugen.
4. Vorrichtung-nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung des Anteils der positiven lonenstromdichten die Magnetanordnung ein Mag¬ netfeld erzeugt, dessen Feldlinien in etwa senkrecht zur Oberfläche des Substrats verlaufen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder , dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der relativen Radikalenstromdichte die Magnetanordnung ein Magnetfeld erzeugt, dessen Feldlinien parallel zur Oberfläche des Substrats verlaufen, so daß die lonenstromdichten zum Substrat reduziert werden.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetanordnung eine Helm- holtz-Konfiguration aufweist.
7. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zum Trockenätzen oder Beschichten.
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